説明

位置情報取得システム及び受信端末

【課題】屋内における高精度な位置特定を可能にするために、可視光送信装置と6軸センサを組み合わせることによって、位置の推定を行うこと
【解決手段】端末100側に搭載される3軸加速度センサ130によって、重力ベクトルに対する端末の傾きを検知し、同様に搭載される3軸地磁気センサ140によって地磁気ベクトルに対する端末100の方位を検知する。
LED照明器具(光源)200から伝送される位置情報から、絶対的な位置の情報が取得可能となり、この絶対的な位置と端末100の傾きと方位とを組み合わせることにより、受信端末100が存在する位置を、高精度に推定するものである。端末の視野角(FOV×2度)にLED照明器具が入るとき、可視光送信機からの位置情報を取得可能となる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、可視光通信による位置情報の取得に関し、特に、精密な位置情報を取得することができるシステムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、GPSによる位置検出や平面地図表示といったナビゲーションサービスが携帯電話向けに実用化されている。既存の主な位置情報取得システムには例えば、以下のようなものが挙げられる。
(1)GPS測位
GPS測位の原理は受信機と3個の衛星との距離を測ることがシステムの基本であり、衛星から送信された電波が受信機に到達するまでに要した時間を測定することで、GPS衛星との距離に変換するものである。
GPS測位を行うためには少なくとも同時に4個以上のGPS衛星を捉えることが要求されることとなり、トンネルの中やビルの谷間、木陰や地下街、建物の中など、GPS衛星との間に遮蔽物がある環境ではこのシステムが機能せず、特に屋内における測位では問題となる。
【0003】
(2)通信基地局を利用した測位
GPSを用いた測位方式の他に、PHSや携帯電話の通信基地局を用いて利用者の位置を特定するセル方式という測位方法が存在する。
1つの基地局がカバーする範囲が狭いことから複数の基地局を設置することでサービスエリアを構築しており、この特徴を利用して、PHS端末が受信する複数の基地局の電界強度から位置を推定するものである。実用化されているサービスでは最大10個の基地局からの電波を受信して位置を推定するものであり、測位精度は基地局が多い都市部においても100m程度である。
このシステムではPHSのサービスエリア内であれば測位が可能となるため、基地局が多数設置されている地下鉄やビル内においても測位は可能となる。
また、同様に携帯電話においても基地局を利用したサービスが提供されているが、携帯電話の基地局はPHSに比べて1つの基地局がカバーする範囲が数100m〜数kmと広いことから測位精度が低下するという問題点がある。
【0004】
さて、歩行者ナビゲーションにおける測位方式では、GPSまたはPHS・携帯電話の通信基地局を利用したハイブリッド測位が一般的に用いられているが、GPS衛星の電波を十分に受信することができない、窓から離れた屋内や地下街では位置を割り出すことができず、通信基地局を利用した測位のみとなることから誤差が300m以上になる場合があるとされている。
また、通信基地局を利用した測位においても、携帯電話のセルサイズは一般的に数100m〜数kmであることから、GPS測位が使用できない屋内環境下においては大きな測位誤差を生じることは避けられない。つまり、GPS測位では電波が届かない場所での測位が課題となり、また通信基地局を利用した測位ではその測位精度に問題が生じる。
【0005】
このような問題を解決する手段として、無線LANやBluetooth、RFIDなどの近距離無線を利用したローカル測位や、他の内蔵センサでGPS情報を補完するセンサ測位が検討されている。
近距離無線通信による位置情報取得の原理は、携帯電話の通信基地局を利用したセル方式と同様のものであり、無線LANのアクセス・ポイント(AP)やBluetooth通信機器、RFIDのアクティブ・タグなどの無線発信器が携帯電話における基地局の役割を果たし、携帯電話が電波を受信したAPの位置を携帯電話の位置とするものである。
ローカル測位では、同じセル方式でも携帯電話の基地局と比べてセル半径が小さいために精度の高い位置情報が得られる他、複数のアクセス・ポイントからの電波を利用して3点測量の原理で位置算出を行うことにより、より高精度な位置情報が取得可能であると期待されている。
【0006】
しかし、ローカル測位は近距離無線設備のある場所でしか使用できないことに加えて、アクセス・ポイントを設置する必要があるといった課題が挙げられ、また加速度センサや地磁気センサによって現在の位置を算出するセンサ測位においても、GPS電波の届かない場所での長時間の利用では誤差の蓄積が懸念されるといった問題点が挙げられる。
さらに、磁気コンパスを内蔵することで進行方向に応じて平面地図を回転表示するヘディング・アップ機能を搭載する技術も実用化されている。
【0007】
しかし、平面地図表示だけでは利用者が頭の中で周囲の建物の配置と対応付けることが要求されることから、より身近なナビゲーションサービスを実現するために、直感的に周囲の状況を把握可能にする技術が開発された。
それは、GPSと姿勢探知技術を組み合わせ、自分の位置情報と手に持った端末の3次元的な姿勢を検出し、位置情報と端末の姿勢の変化から携帯端末の画面に自分の周囲の様子や目的の方向を3次元的に表示するナビゲーション技術である。
【0008】
3次元姿勢探知技術は、3軸の加速度センサを用いて端末の傾きを検知し、3軸の地磁気センサを用いることによって端末の向いている方角を検知するものであり、このような6軸センサ(3軸加速度センサ+3軸地磁気センサ)を利用することによって端末の全ての姿勢状態を検知することが可能になる。
これらにはMEMS技術を活用した加速度センサと小型の地磁気センサが採用されており、センサを姿勢検知演算用CPUと共に1枚のボードに実装することにより姿勢検知ユニットの小型化を図ることにも成功しており、今後ますます携帯電話への搭載が期待される(非特許文献1参照)。
しかし、現在の技術では、屋内での位置検出を行うに当たり、RFIDなどのICタグを用いる方法が提案されているに留まり、インフラ整備の必要性があるなどの問題点が挙げられる。
【非特許文献1】「携帯・自動車・ロボット狙い 複合センサーの開発が続々 加速度,角速度,方位の検出を1パッケージで」,日経マイクロデバイス,2006年7月号,p89−91
【非特許文献2】小峯敏彦,田中裕一,春山真一郎,中川正雄,”白色LED を用いた照明光通信の提案” 信学技報,OCS2001-71,2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本願発明の目的は、屋内における高精度な位置特定を可能にするために、可視光送信装置と6軸センサを組み合わせることによって、位置の推定を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の目的を達成するために、本発明は、設置されている位置の情報を、可視光により送信する光源と、3軸加速度センサと、3軸地磁気センサと、光源からの位置情報を受信する可視光受信部と、演算部とを備える可視光受信端末とを備え、前記受信端末は、前記可視光受信部により受信した前記光源の位置情報と、前記3軸加速度センサによる3次元の姿勢情報及び前記3軸地磁気センサによる3次元の方位とにより、前記演算部で補正された端末の位置情報を演算することを特徴とする位置情報取得システムである。
また、3軸加速度センサと、3軸地磁気センサと、光源からの位置情報を受信する可視光受信部と、演算部とを備える可視光受信端末も本発明であって、前記可視光受信部により受信した光源の位置情報と、前記3軸加速度センサによる3次元の姿勢情報及び前記3軸地磁気センサによる3次元の方位とにより、前記演算部で補正された端末の位置情報を演算することを特徴とする。
前記可視光受信部は、予め定めた視野角を有することで、正確な位置を演算することができる。
【発明の効果】
【0011】
本願発明では、可視光通信によって伝送される光源からの位置情報に加えて、6軸センサに搭載された3軸加速度センサの傾きデータと3軸地磁気センサによる方角の情報を用いることによって、位置推定範囲を限定し、高精度な位置の推定を行っている。
これにより、LED照明器具に受信端末をかざすだけで、屋内において位置を推定することが可能となる。近年では赤外線通信機能(IrDA)がほとんどの携帯電話に搭載されていることから、受信端末として、携帯電話のフォトダイオード(PD)を想定することで、送受信共にインフラ整備の観点からも問題を解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
図面を用いて、本願発明の実施形態を説明する。
本システムの概要を図1により説明する。
本システムでは、LED照明器具(光源)200から伝送される可視光送信装置からの位置情報を端末100によって受信することで、GPSのように絶対的な位置情報が端末に取得可能となる。なお、可視光送信装置等については、非特許文献2を参照されたい。
しかし、図1における大きい円の部分が示しているように、LED200の照射範囲内であればあらゆる場所で同一の可視光送信装置からの情報が受信可能となることから、可視光送信機の受信可能エリア内で誤差が生じることになる。
この問題を回避し可視光送信機からの照射範囲内での誤差を低減するために、端末100のFOV(Field of View:視界)を制限することが考えられる。しかし、単に端末の視界を制限した場合、受信可能エリアは数mに限定されることから、RFIDなどのローカル測位同様、近距離無線設備のある場所での使用に限られることとなる。
つまり、可視光による位置情報取得システムにおいては、送信機としてLED照明200を考えているため、LEDが広範囲に照射する中で、真下に受信機があるときのみ、正確な位置情報を得ることが可能ということになる。
また、端末100の傾きは考慮されていないことから、受信端末を真上に向けた状態で可視光送信機からの情報を受信しなければならないといった欠点も挙げられ、実用性に乏しいと言える。
そこで、本システムでは、端末100に設置した6軸センサを組み合わせることを考え、この6軸センサの傾きデータを利用することによって、LED照明の真下以外でも可視光送信機からの位置情報を受信可能にし、LED照明からの位置情報を受信できるあらゆる場所において、高精度に位置を推定している。
【0013】
図2は、本システムの概念図を示したものである。
図2に示したシステムでは、端末100側に搭載される3軸加速度センサ130によって、重力ベクトルに対する端末の傾きを検知し、同様に搭載される3軸地磁気センサ140によって地磁気ベクトルに対する端末100の方位を検知する。
LED照明器具(光源)200から伝送される位置情報から、絶対的な位置の情報が取得可能となり、この絶対的な位置と端末100の傾きと方位とを組み合わせることにより、受信端末100が存在する位置を、高精度に推定するものである。端末の視野角(FOV×2度)にLED照明器具が入るとき(LED照明器具が受信端末100の視野内にあるとき)、可視光送信機からの情報を取得可能となる。
【0014】
図3に端末100の構成を、ブロック図で示す。
本システムの端末100では、可視光の光源200から得た位置情報を、フォトダイオード等の受光素子110,受信装置120により得る。さらに、3軸加速度センサ130と3軸地磁気センサ140を組み合わせた6軸センサによって、端末100の傾きおよび方向を検出する。これらの情報を演算装置150によって計算して、予め与えられている端末の視野角を考慮し、端末100の正確な位置を推測する。これによって得られた結果をディスプレイ制御装置170に送ることでディスプレイ180に位置情報を表示する。
また、必要ならば、データ送信装置160により、得られた端末100の位置情報を他の装置に送信することも可能である。
このように、本システムでは、端末(受信機)100のFOVを制限することで、通信可能エリアを限定して測位誤差を小さくすることが可能である。
【0015】
本システムにおける位置推定では、端末100の傾きによって位置を推定することから、その精度は、LED照明器具(光源)200と受信端末100との高さに大きく影響を受ける。よって、可視光送信装置からの情報に絶対位置を参照する位置情報に加えて、天井の高さに関する情報を付加することによって、さらに高精度な位置推定が期待される。
この場合は、演算装置150において、受信した光源200の位置情報及び光源200の高さの情報と端末100の傾き,方向の情報を用いて、位置を推定する。
このように、6軸センサを用いることで、照明の真下以外の場所で位置情報を受信した際にも、測位の推定が可能となる。つまり、端末をLED照明にかざすだけで、より高精度な測位が可能となるシステムである。
推定されるエリアは、受信端末の傾きに応じて通信エリアに差異が生じることから、受信端末の傾きデータと可視光送信機を組み合わせることにより、位置の情報を得ることができる。
【0016】
図4は、受信端末の傾きと方位により、位置の推定を行うことを説明するための図である。図4(a)は、光源(送信器)200と受信端末100との関係を示しており、図4(b)は受信端末100の回転角αを、図4(c)は受信端末100の傾き角θを示している。
図4(a)に示すように、点Bを可視光の位置情報を送信するLEDの光源200とし、その座標を(x,y,z)とする。また、受信端末100の中心座標を点Rとし、この座標を(x,y,z)とする.受信端末100は、θ方向とα方向に傾きを持ち、送受信機間BRの距離をdとする。端末100から天井までの距離ARをd,受信端末100から天井に向かって伸ばした法線と天井との交点を点Cとする。このとき∠ARC はθとなり、∠BRCをξとする。また、線分AR,BR,ACは、
AR=d=z−z (1)
BR=d=√{(x−x+(y−y+(z−z}(2)
AC=dtanθ (3)
となり,受信端末から天井へ伸ばした線分CRは、線分AC,ARを用いて以下の式で示される。
CR=√(AC+AR) (4)
また,線分BCは座標による計算から、
BC=√{(x+ACcosα−x+(y+ACsinα−y
(5)
となることから、cosξは余弦定理を用いて以下の式で表される.
cosξ=(BR+CR−BC)/(2・BR・CR) (6)
可視光通信システムは、送受信機が見通し範囲内であれば受信可能であるため、LED 照明が受信機の視野内にあるときに通信可能となる。そのため、以下の式が成立するとき通信可能となる。
cosξ>=cosΨ (7)
【0017】
推定される位置の範囲(誤差)は、受信機の傾き角が増すにつれて増加し、推定される位置はある程度の範囲を持つ。これを、図5に示す。図5(a)は受信端末の視野角5deg(度)であり、図5(b)は20deg(度)の場合である。グラフでは、横軸に部屋のx 軸成分を示し、縦軸にy 軸成分を示す。
図5(a)より、受信機の傾き角θに応じて通信エリアに差異が生じることから、受信端末の傾きデータと可視光による位置情報システムを組合せることで位置の識別をすることが可能であると言える。推定される範囲は、図5(a)に示されるように受信機の傾き角θが増すにつれて増加しており、推定される位置はある程度の範囲を持つ。しかし、受信機の傾き角θが60degの場合においても、直径3m以内の円に限定されることから、視野角が5度とすれば、3mの範囲内となり、高精度な位置推定という観点において目的を達成する。
【0018】
図5(b)は受信機のFOVを20degと変化させた場合であり、図5(a)と比較することで、受信機の傾き角θの違いによる位置推定範囲を図示したものである。
本システムにおいて推定される範囲は、受信機の傾き角θが大きくなるに従ってそのエリア面積は大きくなる。図5(b)の場合においては、受信端末の傾き角θが60deg のとき、直径20m弱もの広い範囲内に受信端末が存在することが分かるのみであるため、室内での利用を想定した場合にはあまり実用的・魅力的ではない。しかし、図5(a),(b)を比較することで、受信端末のFOVを狭めることで推定される面積は減少していることが分かる。このことから、受信機のFOVを狭い角度に制限することによって位置推定範囲の限定が可能となる。
【0019】
可視光通信の位置情報システムを用いた位置推定では、受信端末の高さ、すなわち利用者の高さによって推定されるエリア面積に影響を及ぼすものと考えられる。そのため、ここでは、受信機の高さの影響について解析を行う。
図6(a)は、受信機の傾き角θを60degとした場合に、受信端末の高さを1.0m〜2.0mの間で変化させたときの位置推定範囲への影響について解析を行った結果である。図6(a)より、受信端末の高さを変化させることによって、x軸方向にエリアがシフトしていることが分かる。これから、位置情報を受信する際の端末の高さによって推定される位置に誤差が生じている。
また、受信端末の高さが位置推定範囲に与える影響は傾き角θの大きい方が顕著に現れることが明らかである。しかし、傾き角θが60degの場合においても、受信端末の高さによる推定誤差は約4.5mであることから、屋内環境での歩行者の案内には十分な精度であると言える。
【0020】
受信端末の傾き角θが45deg以下であれば、受信端末の高さによる位置推定範囲への影響は大幅に小さくなることから、受信端末の高さは高精度な位置推定にさほど影響を及ぼさないと考えられる。
図6(b)は図6(a)と同様に、受信端末の傾き角θが45degの場合を図示したものである。このとき、受信端末の高さに起因した誤差は約2.5mであることから、受信端末の高さによる位置推定範囲への影響は,受信端末の傾き角θの減少によって低減されることは明らかである.
【0021】
6軸センサを用いた位置検出では、3軸加速度センサおよび3軸地磁気センサの精度が位置推定範囲に大きく影響を与える。ここで、3軸地磁気センサの精度を±6.375deg、また、3軸加速度センサの精度を±2degとした際の、位置推定範囲について解析を行った結果を図7に示す。
図7中の楕円状の位置推定範囲の周りを囲む範囲が、6軸センサの精度を考慮した位置推定範囲である。3軸加速度センサおよび3軸地磁気センサの測定精度の影響によって、推定されるエリア面積が増加していることが分かる。また、受信端末の傾き角θが60degのとき推定範囲は比較的大きくなるが、直径約4m以内の円に収まることから,GPSの測位精度数10m程度を大幅に改善しており、高精度な位置推定が可能である。
光源から伝送される位置情報は、受信端末のFOVを限定しない場合(FOV90deg)、図7中の最も大きな円で表されたエリアが示すように、非常に広範囲で受信可能となってしまう。しかし、単に受信機のFOVを限定するのでは図7中の中心の小さな円で示されるように、位置情報システムの受信可能エリアは極端に制限され、ユーザが照明の真下に来ないと位置が検出できないため非常に使いにくい。
【0022】
本発明では、受信端末のFOVを制限し,6軸センサの傾きデータを使用しつつ可視光位置伝送システムによって絶対位置情報を得ることで、推定される面積を小さくしつつ、LED照明の真下以外でも測位が可能となる。6軸センサの傾きデータを利用しない場合、FOV90degの場合における可視光位置伝送システムの受信可能エリアである大きい円の部分の面積はおよそ177mであるのに対し、FOVを5degに制限し傾きデータを利用したとき、受信端末の傾き角θが60degにおいて6軸センサの精度を考慮した場合に推定される範囲(図7中の最も大きな楕円状のエリア+最も大きな楕円の周りを囲むエリア)は約9mである。
これにより、本発明では単に可視光位置情報を受信する場合と比較して、推定される面積を約5%に限定することが可能となる。よって、本発明の方式を用いることで測位精度を面積比で20倍に向上させることができる。
このように、センサ測位のみでは、誤差の蓄積から高精度な位置推定は困難であったが、絶対位置を伝送する可視光送信機からの情報に加えて、6軸センサの傾きデータを利用することによって端末を持つユーザの現在位置を推定する本システムは、誤差の蓄積という問題点を解決し、高精度な位置推定が可能である。
【0023】
上述したように、本システムでは、可視光送信機としてLED照明器具、受信端末として例えば携帯電話に搭載される受光素子を想定することで、インフラの整備の観点からも問題を解決できる。
また、イメージセンサなどの複雑な装置を使用することなく、既存のシステムを活用することで位置の推定を実現できる。
さらに、可視光送信機と6軸センサを組み合わせることによって、センサ測位が持つ誤差の蓄積およびローカル測位が持つインフラ整備の問題を同時に解決でき、既存のシステムでは困難であった屋内での高精度位置推定を実現すると共に、屋内外におけるシームレスな位置サービスを構築できる可能性がある。
したがって、本システムは高精度に位置を推定する手法として多いに期待できると言える。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本システムの概要を説明するための図である。
【図2】本システムの原理を説明するための図である。
【図3】本システムにおける端末の構成を説明する図である。
【図4】本システムにおける位置の計算を説明する図である。
【図5】本システムにおける端末の視野角(FOV)の影響を説明する図である。
【図6】本システムにおける端末の高さの影響を説明する図である。
【図7】本システムにおけるセンサの誤差の影響を説明する図である。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
設置されている位置の情報を、可視光により送信する光源と、
3軸加速度センサと、3軸地磁気センサと、光源からの位置情報を受信する可視光受信部と、演算部とを備える可視光受信端末とを備え、
前記受信端末は、前記可視光受信部により受信した前記光源の位置情報と、前記3軸加速度センサによる3次元の姿勢情報及び前記3軸地磁気センサによる3次元の方位とにより、前記演算部で補正された端末の位置情報を演算することを特徴とする位置情報取得システム。
【請求項2】
前記受信端末の可視光受信部は、予め定めた視野角を有することを特徴とする請求項1に記載の位置情報取得システム。
【請求項3】
3軸加速度センサと、3軸地磁気センサと、光源からの位置情報を受信する可視光受信部と、演算部とを備える可視光受信端末であって、
前記可視光受信部により受信した光源の位置情報と、前記3軸加速度センサによる3次元の姿勢情報及び前記3軸地磁気センサによる3次元の方位とにより、前記演算部で補正された端末の位置情報を演算することを特徴とする可視光受信端末。
【請求項4】
前記可視光受信部は、予め定めた視野角を有することを特徴とする請求項3に記載の可視光受信端末。

【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図1】
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【図2】
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【図7】
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【公開番号】特開2009−60181(P2009−60181A)
【公開日】平成21年3月19日(2009.3.19)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−223228(P2007−223228)
【出願日】平成19年8月29日(2007.8.29)
【新規性喪失の例外の表示】特許法第30条第1項適用申請有り 2007年3月8日〜9日 社団法人 電子情報通信学会主催の「電子情報通信学会技術研究報告 IN2006−180〜267」に文書をもって発表
【公序良俗違反の表示】
(特許庁注:以下のものは登録商標)
1.Bluetooth
【出願人】(305007827)株式会社中川研究所 (26)
【Fターム(参考)】